Validação biológica de grânulos de vidro bioativas (compostos por biovidro 45S5): estudo in vitro e in vivo

Abstract

O tecido ósseo, embora tenha a capacidade de regeneração, é limitado em sua eficácia diante de defeitos críticos que impedem a regeneração natural. Dessa forma, materiais como a hidroxiapatita (HA) têm sido considerados promissores na engenharia de tecido ósseo. Contudo, apesar de sua ampla utilização, a hidroxiapatita apresenta desvantagens, como a taxa de reabsorção e remodelação lenta. Em contraste, o biovidro 45S5 se destaca por sua biocompatibilidade, propriedades bioativas e degradabilidade. Este estudo objetivou avaliar o comportamento biológico in vitro e in vivo de grânulos de vidro bioativas de biovidro 45S5 fabricadas pelo método de fusão. Os biovidros foram caracterizados por meio da difração de raios X (DRX), espectroscopia de infravermelho por transformação de Fourier (FTIR), calorimetria diferencial de varredura (DSC) e espectrometria de emissão óptica com plasmas indutivamente acoplados (ICP OES). Em seguida, foi realizado o estudo in vitro, utilizando células osteoblásticas isoladas de fêmures de ratos, que foram submetidas a análise da morfologia celular (MEV), viabilidade celular (MTT), conteúdo de proteína total (PT), atividade de fosfatase alcalina (ALP) e formação de nódulos de mineralização. No estudo in vivo, foram realizados defeitos ósseos críticos de 7 mm na tíbia de coelhos da raça New Zealand, que foram divididos em dois grupos (n=6) de acordo com o material de preenchimento: hidroxiapatita comercial (HA) e biovidro 45S5 (BG45S5). Após 2, 8 e 12 semanas, os animais foram eutanasiados e as peças ósseas foram submetidas as análises histológicas e histomorfométricas. Os dados foram submetidos ao teste de normalidade Shapiro-Wilk (p=0,05) e quando normais realizamos o teste t de student e quando não normais realizamos o teste de Mann-Whitney. Os resultados dos testes físico-químicos mostraram sucesso na produção do novo biomaterial. Nos testes in vitro, observou-se que o grupo BG45S5 não apresentou citotoxicidade e mostrou-se promissor com diferença estatisticamente significante em relação ao grupo hidroxiapatita comercial (p=0.0263). Nos testes de PT, ALP e nódulos de mineralização, os grupos não apresentaram diferença estatística entre eles (p<0,05). Contudo, o grupo BG45S5 mostrou-se promissor em relação aos outros grupos. Na análise histológica, ambos os grupos apresentaram neoformação óssea nos defeitos após 2, 8 e 12 semanas. Na histomorfometria, observou-se que os grupos BG45S5 e HA apresentaram maior área de neoformação óssea em 12 semanas. Houve diferença estatisticamente significante entre os grupos no tempo de 2 semanas, com maior neoformação para o grupo BG45S5. Apesar dos resultados promissores do grupo BG45S5, não houve diferença estatisticamente significativa entre os grupos (p<0,05) nos tempos de 8 e 12 semanas. Em resumo, os resultados evidenciaram o sucesso na produção do biomaterial sintético e o potencial do biomaterial BG45S5 como um material promissor para tratamento de defeitos ósseos críticos.

Bone tissue, despite its capacity of regeneration, is limited in its effectiveness when faced with critical defects that prevent natural regeneration. Therefore, materials such as hydroxyapatite (HA) have been considered promising in bone tissue engineering. However, despite its wide use, hydroxyapatite has disadvantages, such as slow resorption and remodeling rates. In contrast, 45S5 bioglass stands out for its biocompatibility, bioactive properties and degradability. This study aimed to evaluate the in vitro and in vivo biological behavior of bioactive 45S5 bioglass beads manufactured by the melt quenched method. The bioglasses were characterized using X-ray diffraction (XRD), Fourier transform infrared spectroscopy (FTIR), differential scanning calorimetry (DSC) and inductively coupled plasma optical emission spectrometry (ICP OES). Following this, an in vitro study was conducted using osteoblastic cells isolated from rat femurs, which were subjected to analysis of cell morphology (SEM), cell viability (MTT), total protein content (TP), alkaline phosphatase activity (ALP) and mineralization nodule formation. In the in vivo study, critical bone defects of 7 mm were created in the tibia of New Zealand rabbits, which were divided into two groups (n=6) according to the filling material: commercial hydroxyapatite (HA) and bioactive glass 45S5 (BG45S5). After 2, 8, and 12 weeks, the animals were euthanized and the bone pieces were subjected to histological and histomorphometric analyses. Data were subjected to the Shapiro-Wilk normality test (p=0.05), and when normal, we performed the Student's t-test, and when non-normal, we performed the Mann-Whitney test. The results of the physicochemical tests showed success in the production of the new biomaterial. In the in vitro tests, it was observed that the BG45S5 group did not present cytotoxicity and showed promise with a statistically significant difference compared to the commercial hydroxyapatite group (p=0.0263). In the TP, ALP and mineralization nodule tests, the groups showed no statistical difference between them (p<0.05). However, the BG45S5 group showed promise compared to the other groups. In the histological analysis, both groups showed new bone formation in the defects after 2, 8, and 12 weeks. In the histomorphometric analysis, it was observed that the BG45S5 and HA groups presented a larger area of new bone formation at 12 weeks. There was a statistically significant difference between the groups at 2 weeks, with greater new formation for the BG45S5 group. Despite the promising results of the BG45S5 group, there was no statistically significant difference between the groups (p<0.05) at 8 and 12 weeks. In summary, the results evidenced the successful production of the synthetic biomaterial and the potential of the BG45S5 bioglass as a promising material for treating critical bone defect.